Desenvolvimento Conceitual de Metodologia de Medição e ...arquivos.portaldaindustria.com.br/app/conteudo_24/2014/04/04/435/... · CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI Robson

Desenvolvimento Conceitual de Metodologia deMedição e Verificação de Consumos de

Energéticos nas Indústrias

Brasília2012

CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI

Robson Braga de AndradePresidente

Diretoria de ComunicaçãoCarlos Alberto BarreirosDiretor

Diretoria de Desenvolvimento IndustrialCarlos Eduardo AbijaodiDiretor

Diretoria de Educação e TecnologiaRafael Esmeraldo Lucchesi RamacciottiDiretor

Diretoria de Políticas e EstratégiaJosé Augusto Coelho FernandesDiretor

Diretoria de Relações InstitucionaisMônica Messenberg GuimarãesDiretora

Diretoria JurídicaHélio José Ferreira RochaDiretor

1



Brasília2012

© 2012. CNI – Confederação Nacional da Indústria.Qualquer parte desta obra poderá ser reproduzida, desde que citada a fonte.

CNIGerência de Infraestrutura

FICHA CATALOGRÁFICA

CNIConfederação Nacional da Indústria

Setor Bancário Norte

Quadra 1 – Bloco C

Edifício Roberto Simonsen

70040-903 – Brasília – DF

Tel.: (61) 3317- 9000

Fax: (61) 3317- 9994

http://www.cni.org.br

Serviço de Atendimento ao Cliente - SAC

Tels.: (61) 3317-9989 / 3317-9992

[email protected]

ABRACE

Associação Brasileira de Grandes

Consumidores Industriais de Energia e

de Consumidores Livres

SBN - Quadra 01, Bloco B, nº.14, salas

701/702

70041 902 - Brasília - DF

Tel./Fax: 61 3878 3500

[email protected]

EMBAIXADA BRITÂNICA

Setor de Embaixadas Sul, Quadra 801,

Lote 8

70408-900 - Brasília - DF

Tel.: 61 3329-2300

C748d

Confederação Nacional da Indústria. Desenvolvimento conceitural de metodologia de medição e verificação de consumos de energéticos nas indústrias / Confederação Nacional da Indústria. – Brasília : CNI, 2012. 55 p. : il. ISBN 978-85-7957-072-8 1.Eficiência energética. 2. Indústria. I. Título. CDU: 537.214

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Árvore de decisão sobre as opções do IPMVP .................................................................. 13

Figura 2 - Resumo da metodologia proposta ..................................................................................... 17

Figura 3 - Definição do limite de medição .......................................................................................... 18

Figura 4 - Exemplo de regressão para aproximar os pontos de operação a uma curva .................. 20

Figura 5 - Pontos de operação do período total de referência ........................................................... 21

Figura 6 - Período de referência dividido em grupos .......................................................................... 22

Figura 7 - Quadro T ............................................................................................................................. 24

Figura 8 - Fatores de emissão da margem de operação e da margem de construção. ................... 29

Figura 9 - Esquema ilustrativo da escolha de volume de controle e variáveis importantes para a caldeira .......32

Figura 10 - Variação do PCI do Gás Natural ....................................................................................... 33

Figura 11 - Pontos de operação do período de referência e respectiva regressão ........................... 35

Figura 12 - Esquema ilustrativo de volume de controle e variáveis importantes para o forno........... 39

Figura 13 - Esquema do forno de reaquecimento com recuperador ................................................. 41

Figura 14 - Pontos de operação para as duas operações no forno e suas respectivas regressões 41

Figura 15 - Gráfico da Economia horária obtida para o exemplo do forno ........................................ 42

Figura 16 - Esquema ilustrativo de volume de controle e variáveis importantes na secagem .......... 43

Figura 17 - Esquema ilustrativo de volume de controle e variáveis importantes na eletrólise ........... 45

Figura 18 - Sistema de bombeamento - Exemplo .............................................................................. 50

Figura 19 - Curvas Características obtidas ......................................................................................... 51

Figura 20 - Esquema ilustrativo do aproveitamento da energia em cada equipamento ................... 52

LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Quadro de instrumentos adaptado do Quadro 5 – Tipos de medidores chaves do IPMVP .......27

Tabela 2 - Fatores de emissão para combustíveis e respectivos potenciais de aquecimento .......... 28

Tabela 3 - Cálculo do fator de emissão de CO2 da margem combinada do SIN ............................... 29

LISTA DE FIGURAS E TABELAS

Tabela 4 - Cálculo da Economia horária para o exemplo da caldeira ................................................ 36

Tabela 5 - Cálculos dos Erros Padrões ............................................................................................... 37

Tabela 6 - Cálculo da Economia horária para o exemplo do forno .................................................... 42

Tabela 7 - Influência da densidade de corrente no consumo específico ........................................... 46

Tabela 8 - Economia horária obtida para o exemplo da bomba ........................................................ 52

SUMÁRIO

RESUMO .............................................................................................................................................7

1 INTRODUÇÃO ..............................................................................................................................9

2 TERMINOLOGIA DO IPMVP ......................................................................................................11

3 METODOLOGIA PROPOSTA .....................................................................................................15

3.1 Etapas do Processo ...................................................................................................................... 16

3.2 Planejamento ................................................................................................................................. 17

3.3 Coleta de Dados e Definição de Equação do Período de Referência ......................................... 19

3.4 Levantamento de Dados do Pós-Execução e Cálculo da Economia de Energia ........................ 22

3.5 Cálculo das emissões evitadas ..................................................................................................... 27

4 PARTICULARIDADES DAS CLASSES DE EQUIPAMENTOS ...................................................31 4.1 Caldeiras ........................................................................................................................................ 31

4.2 Fornos ............................................................................................................................................ 38

4.3 Secadores ...................................................................................................................................... 43

4.4 Eletrólise ........................................................................................................................................ 45

4.5 Bombas ......................................................................................................................................... 47

4.6 Conjunto de Tração ....................................................................................................................... 52

5 REFERÊNCIAS ..........................................................................................................................55

7

RESUMO

O presente documento apresenta os conceitos de uma metodologia de medição e verificação (M&V) que permitirá identificar de forma clara a redução do consumo de energéticos (eletricidade e combustíveis) e a respectiva redução de emissão de gases de efeito estufa resultantes de projetos de eficiência energética industriais. Ela deverá garantir transparência, confiabilidade e rastreabilidade aos resultados.

Os conceitos definidos aqui deverão nortear o processo de M&V para ações de eficiência energética aplicadas aos seguintes equipamentos:

• Conjuntos de tração (motores elétricos, acoplamentos e inversores de frequência)

• Bombas hidráulicas

• Caldeiras

• Fornos à combustão

• Secadores

• Eletrólise.

Eles partem das diretrizes do IPMVP (International Performance Measurement and Verification Protocol) e enfocam um nível técnico complementar.

A economia referente a uma ação de eficiência energética será calculada com base no método do “Uso Evitado de Energia”, definido no item 4.6.1 do IPMVP. O consumo evitado é a diferença entre a energia teórica que o equipamento iria consumir caso não houvesse a ação de eficiência e a energia efetivamente consumida após a implantação da medida. Enquanto a segunda pode ser facilmente obtida por meio das medições e do registro de consumos de energéticos, a primeira deve ser calculada da seguinte forma:

• Medem-se e registram-se os consumos energéticos (eletricidade e combustíveis) e a produção em um período préexecução da medida de eficiência energética, definido como período de referência

• Constrói-se a curva e obtém-se a equação de consumo médio (ou consumo específico médio) em função da produção do equipamento (da carga). Quando o equipamento tiver consumos térmico

8



e elétrico, deve-se construir uma equação para cada um deles

• Medem-se e registram-se as produções do período pós-execução

• Substituindo-se as produções do período pós-execução nas equações do período préexecução (referência), obtém-se a energia que o equipamento iria consumir caso não houvesse a ação de eficiência.

A metodologia leva ainda em conta outros fatores que podem interferir diretamente no consumo específico e que não estão associados à característica do equipamento, como variações na composição e umidade da matéria-prima, variações na composição dos produtos finais, etc. Para evitar que alterações nessas variáveis afetem o cálculo de economia, a metodologia prevê que as comparações entre os consumos pré e pós-execução sejam realizadas sempre na mesma base, ou seja, devem-se comparar momentos onde essas variáveis são iguais. Para que isso possa ser feito, elas também deverão ser medidas e registradas.

A partir das economias de energéticos, é calculado o impacto nas emissões de gases de efeito estufa utilizando-se de fatores já conhecidos, obtidos por meio do IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change).

8 9

1. INTRODUÇÃO

Em sintonia com o crescente esforço mundial em combater o aquecimento global, o governo brasileiro instituiu a Politica Nacional sobre Mudança de Clima - PNMC (Lei 12.187/09 e decreto 7.390/10), que, dentre outras coisas, estabelece que devem ser elaborados planos setoriais para redução de emissão de gases de efeito estufa. Eles englobam diversas áreas, dentre elas estão:

• Indústria de transformação e de bens de consumo duráveis

• Indústrias químicas finais e de base

• Indústria de papel e celulose

• Indústria de mineração

• Indústria da construção civil.

Para a indústria em geral, as principais formas de redução de emissão de gases de efeito estufa estão associadas à substituição de combustíveis fósseis por renováveis e a ações de melhoria de eficiência energética.

A fim de impulsionar a implantação de ações desse tipo, a CNI (Confederação Nacional da Indústria) está propondo um programa baseado na isenção de alguns encargos setoriais mediante o compromisso da indústria em investir os recursos “economizados” em projetos de eficiência energética, que promovam a redução de emissão de gases de efeito estufa.

Atualmente, mesmo sendo o setor industrial aquele que possui o maior consumo de energia (aproximadamente 40% do consumo energético total do país) e o que apresenta o maior potencial de economia, ele vem recebendo pouca atenção das políticas governamentais nos programas de eficiência energética, que vêm priorizando os setores residencial, público e comercial.

Além da escassez de iniciativas de eficiência energética voltadas à indústria, as que existem visam principalmente redução de consumo de energia elétrica, centradas em questões como iluminação e sistemas motrizes. Tal direcionamento deixa de aproveitar grandes oportunidades de economia de energia, dado que o potencial de conservação na área térmica (fornos, secadores e caldeiras a combustão) é quatro vezes maior que o potencial na área elétrica (iluminação, eletrólise, fornos

10

elétricos, refrigeração e força motriz).

Como parte do programa proposto, a FIGENER desenvolveu, em conjunto com a CNI e a ABRACE (Associação Brasileira de Grandes Consumidores Industriais de Energia e de Consumidores Livres), o conceito de uma metodologia de medição e verificação (M&V) com objetivo de comprovar as economias de energéticos (combustível e energia elétrica) e a respectiva redução de emissão de gases de efeito estufa nas ações de eficiência energética na indústria. A metodologia tem foco nas ações aplicadas aos seguintes equipamentos:

• Conjuntos de tração (motores elétricos, acoplamentos e inversores de frequência)

• Bombas hidráulicas

• Caldeiras

• Fornos a combustão

• Secadores

• Eletrólise.

Adotou-se o IPMVP (International Performance Measurement and Verification Protocol) como diretriz para a metodologia. Esta escolha se deve ao fato de que este protocolo já é amplamente usado em programas de M&V no mundo. Além disso, o IPMVP já possui versão em português e existem treinamentos e certificações de profissionais no Brasil.

O capítulo 2 deste relatório apresentará alguns conceitos e terminologias do IPMVP. O capítulo 3 apresentará o conceito da metodologia proposta e o capítulo 4 as suas particularidades para cada grupo de equipamentos. No capítulo 5 são listadas as referências utilizadas pela FIGENER durante a elaboração do trabalho e o anexo apresenta uma visão geral de programas de M&V utilizados internacionalmente.

10 11

2. TERMINOLOGIA DO IPMVP

O International Performance Measurement and Verification Protocol (IPMVP) é uma abordagem padronizada de medição e verificação (M&V) para economia de energia e água, internacionalmente aceita e criada pela Energy Valuation Organization (EVO), uma corporação sem fins lucrativos, que teve início com um grupo de voluntários do US Department of Energy (DOE) e do Lawrence Berkeley National Laboratory (Estados Unidos) em 1994. Este protocolo é usado como base de programas de eficiência energética e guias de M&V em mais de 40 países. Alguns usuários do IPMVP são: o Federal Energy Management Program (FEMP), a Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) nos Estados Unidos; a Agência para a Energia (ADENE) em Portugal; o Energy Savings Measurement Guide do Energy Efficiency Opportunities (Austrália), SGS-CSTC Standards Technical Services Co., Ltd. (Suíça e China) e HEP ESCO d.o.o. (Croácia). Além disso, existem treinamentos e certificações a profissionais em todo o mundo (Certified Measurement and Verification Professionals - CMVP). (Fonte: http://eetd.lbl.gov/bt/design-assess-ipmvp.html).

É possível encontrar uma lista de documentos que referencia o uso do IPMVP em programas de eficiência ou como modelo de boas práticas de M&V no seguinte link:

http://www.evo-world.org/index.php?option=com_content&task=view&id=230&Itemid=251

Os seguintes tópicos são abordados pelo IPMVP

1. Escopo, benefícios e usos do protocolo

2. Descrição das opções de fronteira de medição

3. Cálculos das economias

4. Plano de M&V

5. Relatório de M&V

6. Ajustes e incertezas

7. Normas para instrumentos e leituras de medições

8. Exemplos de aplicação

12

DESENVOLVIMENTO CONCEITUAL DE METODOLOGIA DE MEDIÇÃO E VERIFICAÇÃO DE CONSUMOS DE ENERGÉTICOS NAS INDÚSTRIAS

Abaixo segue um resumo de alguns termos aplicados ao IPMVP:

Fronteira de medição: é o volume no qual será calculada a economia e serão contabilizados os efeitos energéticos, sendo que todos os efeitos da ação de eficiência energética devem ser considerados.

Variáveis independentes: variável que pode se alterar durante a operação e que causa impacto significativo no consumo específico do equipamento. Exemplo: umidade de entrada do produto em um secador.

Opções de cálculo: O IPMVP apresenta 4 opções (A, B, C, D) de aplicações de procedimentos para um processo de M&V, que dependem do volume de controle escolhido, das medições e estimativas feitas.

Tanto na opção A quanto na B, o volume de controle é o equipamento em que foi implantada alguma ação para economia de energia, o que as difere é que na primeira, apenas parâmetros chave para o cálculo dessa economia são medidos, sendo os demais estimados, enquanto na segunda, todos devem ser medidos.

A opção C tem como volume de controle a instalação inteira, englobando várias ações de eficiência energética, e não há estimativas de parâmetros. Geralmente usada quando há muitas ações e as opções A ou B seriam complexas demais.

Por fim, a opção D serve para simulações, quando a energia no período de referência ou no pós-execução é desconhecida. Também é usada quando se quer a economia individual de equipamentos com medição conjunta. Pode englobar qualquer volume de controle, e é comumente realizada quando nenhuma das outras opções é viável.

12 13TERMINOLOGIA DO IPMVP

FIGURA 1 - ÁRVORE DE DECISÃO SOBRE AS OPÇÕES DO IPMVP

Fonte: VERSÃO BRASILEIRA DO IPMVP 2007, VOLUME 1, PÁG. 56

14


Efeitos interativos: são elevações ou reduções secundárias de consumo energético, resultantes de uma ação de eficiência energética, que também devem ser consideradas no cálculo da economia total.

Seleção do período de medição: devem ser definidos dois períodos, um antes do retrofit (período de referência) e outro depois (período de relato).

14 15

3. METODOLOGIA PROPOSTA

Neste capítulo, serão apresentados os conceitos de uma metodologia de medição e verificação da economia de energia, seja ela térmica ou elétrica, obtida por meio de uma ação de melhoria de eficiência energética para os grupos de equipamentos selecionados.

O cálculo da economia é baseado no método do “Uso Evitado de Energia”, definido no item 4.6.1 do IPMVP. O consumo evitado é a diferença entre a energia que o equipamento iria consumir caso não houvesse a ação de eficiência e a energia efetivamente consumida após a implantação da medida.

No cálculo, devem-se levar em conta os diversos fatores que interferem no rendimento de um equipamento, definidos no IPMVP como “variáveis independentes”. Alguns exemplos:

• Variações na produção (carga do equipamento)

• Qualidade/composição dos produtos ou matérias-primas

• Condições ambientes.

O modelo deverá, portanto, possuir recursos que evitem que variações nesses fatores resultem em falsas economias ou elevação de consumo específico.

Para eliminar os possíveis erros causados pela variação de carga do equipamento, as comparações entre as condições de referência (pré-execução da ação de eficiência) e de pós-execução serão feitas sempre em mesma carga. Por isso será sempre necessário que o período de referência possua o ciclo completo de operação do equipamento, desde a carga mínima até a máxima.

Com relação às demais variáveis independentes, para que suas variações não resultem em erro na economia, as comparações também deverão ser feitas sempre em mesma base. Desse modo, essas variáveis também devem ser monitoradas.

16


3.1 ETAPAS DO PROCESSOA primeira etapa do processo consiste no planejamento, onde, dentre outras coisas, são definidas as variáveis a serem medidas e o período de referência.

A próxima etapa corresponde à coleta de dados do período de referência. Nela são medidos e registrados os consumos de energia elétrica e combustíveis, as produções e as demais variáveis independentes que variam caso a caso. O período de referência é dividido em pequenos intervalos e o valor registrado das variáveis será a média de cada um deles. Cada intervalo é definido como um ponto de operação.

Com os diversos pontos de operação do período de referência, traça-se uma curva e obtém-se uma equação de consumo médio em função da produção do equipamento. Com essa equação é possível determinar, para as futuras produções, qual seria o consumo do equipamento caso não houvesse a ação de eficiência energética. No caso de existirem consumos térmico e elétrico, uma equação para cada um deles deverá ser construída.

As equações também podem ser construídas como consumo específico médio em função da produção. Isto porque, para muitos equipamentos, é mais comum o uso de consumo específico ao invés de consumo absoluto. O consumo específico é:

C.E.=(Consumo de Energia)/Produção

Depois de realizado o registro do período de referência, a ação de eficiência energética pode ser implantada. Na sequência é realizado o levantamento de dados do período pós-execução, onde, novamente, são medidos e registrados os consumos de energéticos, produções e demais variáveis independentes.

Com as produções do período pós-execução e com as equações de consumo em função da produção do período de referência é possível calcular o consumo teórico que o equipamento teria caso não houvesse a ação de eficiência energética. Subtraindo-se desse valor o consumo real medido, obtém-se a economia.

Caso existam, além da produção, outras variáveis independentes com impacto no consumo específico do equipamento, os pontos de operação do período de referência e do período de pós-execução devem ser reunidos em grupos onde elas estão fixas. Com isso, será possível comparar condições de operação cujas variáveis são iguais.

O último passo do processo é calcular o impacto da economia de energéticos nas emissões de gases de efeito estufa utilizando-se de fatores de emissão conhecidos.

A figura a seguir apresenta todas as etapas do processo de M&V:

16 17 METODOLOGIA PROPOSTA

FIGURA 2 - RESUMO DA METODOLOGIA PROPOSTA

Fonte: Elaboração Própria

Ao final do processo, caso seja verificada uma redução de consumo energético e da emissão de gases de efeito estufa, recomenda-se que as informações sejam levadas à equipe de gestão econômica da empresa para que o resultado seja então oficializado. Se, por outro lado, não ocorrer redução, significa que a medida de eficiência energética não funcionou como o previsto. Não houve uma redução no consumo específico do equipamento. Neste caso, a medida deverá ser revista, corrigindo-se as falhas, para então o processo de medição e verificação ser refeito. Para isso, uma nova medição do período de pós-execução será necessária.

Todo o processo deverá ser auditado por empresas de engenharia ou ESCOs (Energy Services Company) credenciadas pelo Ministério da Ciência e Tecnologia e que possuam a certificação do IPMVP. Nos próximos itens deste capítulo serão detalhadas as etapas do processo.

3.2 PLANEJAMENTOO processo deve partir de um planejamento que, dentre outras coisas, deve incluir os seguintes tópicos:

3.2.1 DETERMINAÇÃO DO LIMITE DE MEDIÇÃO

Implantação da Alternativa

Planejamento de M&V

Pontos de Operação doPeríodo de Referência

Traçar Curva do Período de Referência

Medição e Registro deProduções e Consumos

Cálculo da Economia de Energia

Cálculo da Emissão Reduzida

Variáveis a serem monitoradasDefinição dos Períodos Levantamento de Dados

Função Matemática

Levantamento de Dados

CombustívelEnergia Elétrica

18


O primeiro passo para se planejar o processo de M&V é a definição de um limite de medição em torno do equipamento alvo da ação de eficiência energética e eventuais auxiliares que serão influenciados pela medida. Com isso será possível verificar quais são os aportes energéticos e produções a serem monitorados e especificar medidores nos casos em que eles não existiam.

FIGURA 3 DEFINIÇÃO DO LIMITE DE MEDIÇÃO


3.2.2 VERIFICAÇÃO DE EFEITOS INTERATIVOS

Deve-se investigar a existência de alterações secundárias de consumos em equipamentos que se encontram fora do limite de medição, mas que podem estar sendo influenciados pela ação de eficiência energética. Caso existam, as alterações de consumo também deverão ser consideradas e, portanto, monitoradas.

Por exemplo: Em uma determinada fábrica, o minério produzido na lavra é enviado a um secador e posteriormente a um forno de redução. Os gases de escape do forno, a uma temperatura de 450°C, são aproveitados na secagem, fornecendo um aporte térmico que impacta em seu consumo de combustível. Nesta unidade, qualquer medida de eficiência energética que seja realizada no forno e que reduza a vazão dos gases de escape terá efeito (neste caso negativo) no consumo do secador.

3.2.3 DETERMINAÇÃO DAS VARIÁVEIS INDEPENDENTES A SEREM MONITORADAS

Devem-se definir as variáveis independentes, ou seja, quais parâmetros que quando são alterados modificam o consumo específico do equipamento. Por exemplo: umidade do produto na entrada de um secador, temperatura da matéria-prima na entrada de um forno, etc.

Essa análise é necessária para que se definam quais parâmetros serão medidos e registrados, além dos consumos de energéticos e produção (que sempre deverão ser medidos).

No capitulo 4, serão discutidas as principais possíveis variáveis independentes dos equipamentos

Alimentação Processo Produtos

Auxiliares

Outras Perdas

Alimentação

Combustível

Ar Atmosférico

Energia Elétrica

Equipamento

Produto

Gases


selecionados.

3.2.4 DEFINIÇÃO DOS PERÍODOS DE REFERÊNCIA E PÓS-EXECUÇÃO

De acordo com o IPMVP, o período de referência deve representar todos os modos de funcionamento da instalação, encobrindo um ciclo completo de funcionamento, que englobe do máximo consumo energético ao mínimo e todas as condições normais de operação e no qual todos os fatores, variáveis ou fixos, dos quais depende a energia sejam conhecidos. O período de referência deve, ainda, possuir uma quantidade de amostras suficiente para que o critério de erro padrão definido no item 3.4.1.3 seja satisfeito.

O período pós-execução também deve conter um ciclo completo de operação, e deve levar em consideração a vida útil e a probabilidade de depreciação das economias originalmente obtidas.

3.3 COLETA DE DADOS E DEFINIÇÃO DE EQUAÇÃO DO PERÍODO DE REFERÊNCIAOs consumos do período de referência é que servirão de base para o cálculo da energia teórica que o equipamento consumiria caso não houvesse a ação de eficiência energética. Para isso, é necessário que se obtenha uma equação de consumo médio em função da produção. Por meio dessa equação e das produções do período pós-execução, é que será calculada a energia teórica. Quando existem tanto consumo térmico quanto consumo de energia elétrica, deve-se criar uma equação para cada um deles. Enquanto o consumo elétrico é obtido diretamente pela medição, o consumo térmico é calculado multiplicando-se a massa de cada combustível pelo respectivo PCI (poder calorífico inferior).

Consumo Energético Térmico=m_(comb.).(PCI)

Existe a opção de se definir equações de consumo específico médio em função da produção. Em muitos equipamentos é mais usual se trabalhar com consumo específico ao invés de consumo absoluto. Neste caso, o cálculo pode ser feito por meio da seguinte equação:

C.E.=(Consumo Energético)/Produção

Caso existam variáveis independentes com impacto significativo no consumo do equipamento, será necessário dividir o período de referência em grupos. Em cada um desses grupos a variável deverá permanecer constante (ou estar dentro de uma faixa). Será então definida uma equação para cada grupo.

Todas as comparações de consumo deverão ser feitas respeitando essa divisão de grupos. Desse modo, o período de pós-execução também deverá ser dividido nos mesmos grupos.

3.3.1 OBTENÇÃO DA EQUAÇÃO DE CONSUMO EM FUNÇÃO DA PRODUÇÃO

Para a caracterização do período de referência, deve-se fazer um levantamento de dados. Nele deverão ser coletados os consumos de combustíveis, energia elétrica, produção e demais variáveis independentes.

O período de referência é dividido em pequenos intervalos e o valor registrado das variáveis será a média de cada um deles. Cada intervalo é definido como um ponto de operação. A quantidade de pontos dependerá do ciclo de operação do equipamento.

A partir dos pontos de operação levantados, é traçada a curva do período de referência. Devem

20


ser utilizados os métodos de regressão para a curva que melhor represente a característica do equipamento, tentando-se maximizar o coeficiente de determinação R², que, para validar o modelo, deverá ser superior a 0,75, conforme item 3.4.1..A figura abaixo apresenta um exemplo:

FIGURA 4 - EXEMPLO DE REGRESSÃO PARA APROXIMAR OS PONTOS DE OPERAÇÃO A UMA CURVA


A geração de curva é feita utilizando uma função matemática obtida pela regressão mais apropriada, podendo ser linear, logarítmica, polinomial. É possível ainda dividir o eixo da ordenada em trechos onde será traçada uma função diferente para cada região de modo a melhorar a aderência do modelo matemático.

3.3.2 VALIDAÇÃO DO PERÍODO DE REFERÊNCIA

De acordo com o IPMVP, para se validar estatisticamente uma economia, o cálculo deve incluir seus intervalos de confiança e precisão. A economia calculada deve ser maior que duas vezes o erro padrão do período de referência (ver item 3.4.1).

Desse modo, durante o planejamento, deve-se fazer uma estimativa da economia esperada e calcular o erro padrão do período de referência. Caso o critério não esteja sendo satisfeito, as seguintes medidas deverão ser consideradas:

1. Elevar a amostragem do período de referência

2. Utilizar instrumentos mais precisos para reduzir o grau de variação das medições;

3. Identificar outras variáveis independentes que podem estar influenciando o consumo do equipamento e que não estejam sendo levadas em consideração.

Caso seja identificada uma nova variável independente, com influência no consumo do equipamento (item 3), o período de referência deve ser dividido em grupos onde, em cada um deles, esta variável é constante (ou apresenta variação pequena).

Por exemplo: Em uma unidade, está sendo prevista uma ação de eficiência energética em um secador. No período de pré-execução (referência), levantaram-se os dados de consumo e produção do equipamento. Verifica-se que, para uma dada produção, existe uma faixa muito grande de consumos. Isto leva a um desvio padrão elevado e, consequentemente, a um erro padrão alto, que fará com que

consumo especifico x produção


o critério não seja satisfeito. A figura abaixo apresenta os pontos de operação levantados:

FIGURA 5 - PONTOS DE OPERAÇÃO DO PERÍODO TOTAL DE REFERÊNCIA


Após uma análise feita em conjunto com as equipes de processo e operação, concluiu-se que havia uma variável que possui grande impacto no consumo do equipamento e que não estava sendo considerada: a umidade de entrada da matéria-prima no secador. Deste modo, para reduzir o erro padrão do período de referência, decidiu-se por dividi-lo em três grupos:

1. No primeiro foram colocados os pontos de operação onde a umidade de entrada do secador estava na faixa de 12% a 15%.

2. No segundo: 15% a 18%.

3. No terceiro: 18% a 21%.

Com isso, pode-se reduzir o desvio padrão e o erro padrão das amostras, conforme pode ser percebido da figura a seguir:

22


FIGURA 6 - PERÍODO DE REFERÊNCIA DIVIDIDO EM GRUPOS


3.4 LEVANTAMENTO DE DADOS DO PÓS-EXECUÇÃO E CÁLCULO DA ECONOMIA DE ENERGIAApós a implantação da medida de eficiência energética, inicia-se a etapa de levantamento de dados do período pós-execução, que, assim como o período de referência, também deve conter um ciclo completo de operação. Ele deve ainda levar em consideração a probabilidade de diminuição das


economias originalmente obtidas, ou seja, a verificação deverá se repetir ao longo dos anos.

Os dados levantados deverão ser os mesmos do período de referência: consumos de combustíveis, energia elétrica, produção e demais variáveis independentes.

O próximo passo será calcular a energia teórica que o equipamento consumiria caso ele não tivesse sido submetido à ação de eficiência energética. Isto é feito substituindo-se as produções do período de pós-execução na equação de consumo em função da produção, definida no período de referência. No caso de existirem tanto consumo elétrico quanto térmico, esse procedimento deve ser realizado para cada um deles.

Se a equação utilizada foi a de consumo específico, ao invés de se obterem os consumos teóricos de cada ponto de operação, serão obtidos os consumos específicos. Neste caso, deve-se ainda multiplicá-los pela respectiva produção.

Consumo de Energia.=C.E. . Produção

Nos casos onde existem variáveis independentes com influência no consumo do equipamento, o período de referência terá sido dividido em grupos. Esses grupos terão sido formados levando em conta o valor dessas variáveis. Em cada um deles serão agrupados os pontos de operação cujo valor da variável esteja dentro de uma determinada faixa. Como resultado, haverá uma equação para cada grupo. Da mesma forma, o período de pós-execução também deverá ser dividido para que a comparação seja realizada em mesma base. O critério de divisão de grupos deverá ser o mesmo do período de referência, ou seja, os valores da variável independente. No momento em que for feita a substituição das produções do período de pós-execução na equação de consumo do período de referência, deve-se usar a do grupo correspondente, com mesma faixa de valor para a variável independente.

Depois de calculada a energia teórica que o equipamento iria consumir sem a ação de eficiência energética, calcula-se a economia subtraindo-se deste valor a energia real medida.

3.4.1 INCERTEZAS DO CÁLCULO

Segundo o IPMVP1 , “Para poder comunicar uma economia de uma forma estatisticamente válida, a economia deve ser expressa juntamente com os seus intervalos de confiança e precisão”

A precisão indica a faixa esperada que o valor verdadeiro ocorra dado um determinado intervalo de confiança. Ela é calculada a partir de um erro padrão2 EP e de um fator estatístico “t” que considera o intervalo de confiança e o número de leituras realizadas, obtido do Quadro B-1 do Anexo B do IPMVP, mostrada na figura abaixo. A equação da precisão é:

Precisão absoluta = t x EP

1 IPMVP (International Performance Measurement and Verification Protocol), Anexo B – Incerteza.

2 Ver item 3.4.1.1

24


FIGURA 7 - QUADRO T

NUMERO DE LEITURAS(TAMANHO DA AMOSTRA)

INTERVALO DE CONFIANÇA NUMERO DE LEITURAS

(TAMANHO DA AMOSTRA)

INTERVALO DE CONFIANÇA

95% 90% 80% 50% 95% 90% 80% 50%

2 12,71 6.31 3.08 1.00 17 2.12 1.75 1.34 0.69

3 4.30 2.92 1.89 0.82 18 2.11 1.74 1.33 0.69

4 3.18 2.35 1.64 0.76 19 2.10 1.73 1.33 0.69

5 2.78 2.13 1.53 0.74 20 2.09 1.73 1.33 0.69

6 2.57 2.02 1.48 0.78 21 2.09 1.72 1.33 0.69

7 2.45 1.94 1.44 0.72 22 2.08 1.72 1.32 0.69

8 2.36 1.89 1.41 0.71 23 2.07 1.72 1.32 0.69

9 2.31 1.86 1.40 0.71 24 2.07 1.71 1.32 0.69

10 2.26 1.83 1.38 0.70 25 2.06 1.71 1.32 0.68

11 2.23 1.81 1.37 0.70 26 2.06 1.71 1.32 0.68

12 2.20 1.80 1.36 0.70 27 2.06 1.71 1.31 0.68

13 2.18 1.78 1.36 0.70 28 2.05 1.70 1.31 0.68

14 2.16 1.77 1.35 0.69 29 2.05 1.70 1.31 0.68

15 2.14 1.76 1.35 0.69 30 2.05 1.70 1.31 0.68

16 2.13 1.75 1.34 0.69 ∞ 1.96 1.64 1.28 0.67

Fonte: Anexo B do vol I do IPMVP – versão 2007 (BR)

3.4.1.1 ERRO PADRÃO

Os erros padrões podem ser originados de erros de amostragem, de medição ou de modelagem. A definição de cada um é mostrada abaixo:

1. Amostragem – Erro resultante da utilização de amostras com apenas uma parte da população. Como por exemplo, em um caso onde existem 40 motores elétricos iguais, substituídos por modelos mais eficientes, e que o processo de medição foi realizado em apenas uma amostra de 10 motores. O erro padrão é dado por:

2. Medição - Erros devido à imprecisão da instrumentação. Podem ser minimizados com o uso de instrumentos mais precisos e calibrações frequentes. O erro padrão de uma medição é dado pela equação B-13 do IPMVP:

3. Modelagem - Erros relacionados ao modelo matemático desenvolvido, sendo que algumas causas de erro são: a função matemática (regressão) não representar bem o fenômeno; incluir variáveis irrelevantes ou omitir uma importante; dados utilizados não serem representativos. O erro padrão para Erro padrão da estimativa (equação B-8 do IPMVP) é calculado a partir dos dados utilizados


para a regressão e a curva gerada:

Yregressão é o valor estimado pela regressão;

Yi é o valor do dado medido, utilizado para se realizar a regressão;

p é o número de variáveis independentes.

O coeficiente de determinação (R2) representa a aderência da regressão em relação aos pontos observados. Deste modo é preciso buscar a função com o maior coeficiente de determinação (R²) possível. Não existe um valor universal de valor mínimo de R², entretanto o próprio IPVMP informa que 0,75 é um valor que é frequentemente aceito.

Para se calcular o erro padrão (EP) total é necessário combinar cada um dos erros supracitados:

3.4.1.2 CÁLCULO DA PRECISÃO DA ECONOMIA

A economia é calculada por:

EconomiaTotal=∑Economiai

Onde, para cada intervalo i:

Economiai = Consumo Teóricoi – Consumo Reali

Temos que a equação do seu erro padrão (EP), para cada intervalo i, é:

onde,

• EPeconi : erro padrão do i-ésimo ponto de economia;

• EPteóricoi : erro padrão do Consumo Teórico no i-ésimo ponto, que está atrelado ao erro do

modelo, que é o erro padrão da estimativa;

• EPreali : erro padrão do Consumo Real no i-ésimo ponto, que está atrelado ao erro do medidor.

No caso da utilização de Consumo Específico ao invés de Consumo, é necessário ainda realizar um passo a mais no cálculo do erro padrão, pois:

Consumo Teóricoi = CEi x produçãoi

Neste caso, o cálculo do erro padrão do valor estimado é dado por:

Onde,

• CEi : consumo específico da condição de referência para a produção do i-ésimo ponto

• prodi : produção real no i-ésimo ponto

26


Finalmente, o erro padrão da economia total é calculado por:

A partir do EPecon e do t obtido na tabela da figura 7, que depende intervalo de confiança desejado e do número de pontos observados, é calculada a precisão absoluta da economia:

Precisão = t x EPecon

3.4.1.3 VALIDAÇÃO DA ECONOMIA

Conforme IPMVP, “A economia é considerada estatisticamente válida se for grande relativamente às variações estatísticas. Especificamente, a economia precisa ser maior do que duas vezes o erro padrão do valor do período de referência.”

O erro padrão do valor do período de referência é o erro padrão do consumo teórico mostrado no item anterior.

Caso a economia seja composta por consumos térmicos e elétricos, o erro padrão do consumo total é dado por:

3.4.1.4 INSTRUMENTOS TÍPICOS

A seguir será apresentada uma lista contendo a precisão típica de diversos tipos de medidores, usada no cálculo da incerteza. A lista, que foi adaptada do IPMVP, tem caráter orientativo e as precisões reais dos instrumentos devem ser obtidas junto aos fabricantes.


TABELA 1 - QUADRO DE INSTRUMENTOS ADAPTADO DO QUADRO 5 – TIPOS DE MEDIDORES CHAVES DO IPMVP

APLICAÇÃO CATEGORIA E TIPO DE MEDIDOR PRECISAO TIPICA

potencia elétrica CA (watt) ou energia CA (watthora) Wattímetro rms ou medidor de energia ±0.2%

temperatura (graus)

detector de resistência de temperaturapor norma sensor Pt 100:

classe B:erro máx.=±0.3+0.005T [°C]classe A:erro máx.=±0.15+0.002T [°C]

termopar <0.75% para temperaturas acima de 0°C

fluxo líquido (unidades/seg)

pressão differencial 1-5% do max.

deslocamento positivo <1%

turbina ou turbina de inserção de derivação a quente

<1%

vortex ±1%

ultrasônico <1%

magnético <2%

produção - sólido

alimentador tipo cinta 0.5 a 1.0% do máx

alimentador gravimétrico 0.5 a 1.0% do máx

tipo “loss in weight” ±1%

poder calorífico do combustível calorímetros diversos (ex.:cromatografia) 0.5 a 2.0% do máx

umidade do produto medidores nuclear, capacitivo, resistivo <2.0% do máx

Fonte: Quadro 5 – Tipos de medidores chaves do vol.I do IPMVP – versão 2007 (BR)

3.5 CÁLCULO DAS EMISSÕES EVITADASO cálculo das emissões evitadas de gases de efeito estufa (CO2, CH4 e N2O) será realizado por meio da quantificação da economia de combustível e energia elétrica resultantes da implantação de uma medida de eficiência energética.

Serão contabilizadas apenas as emissões correspondentes à quantidade de energéticos não consumidos. Desse modo, não serão consideradas, no cálculo, eventuais reduções referentes ao transporte de bens e produtos.

A emissão evitada de gases de efeito estufa (GEE) será calculada pela multiplicação da economia energética pelo respectivo fator de emissão.

3.5.1 EMISSÕES EVITADAS RESULTANTES DA ECONOMIA DE COMBUSTÍVEL

As emissões evitadas, resultantes da economia de combustíveis, serão calculadas pela seguinte equação:

Emissão evitadaGEE=Economia de combustível ×fator de emissão

A redução de emissão de cada GEE será calculada separadamente e, por fim, convertida na equivalência em dióxido de carbono (CO2eq) com base nos potenciais de aquecimento global de cada gás.

O fator de emissão utilizado na equação acima deverá expressar, tanto quanto possível, as condições reais de emissão de GEE do processo/equipamento em estudo, de forma a minimizar as incertezas.

28


Caso o usuário não possua fatores de emissão próprios e certificados, obtidos por meio das medições de gases na chaminé e/ou composição química do combustível, poderá utilizar os fatores disponibilizados pelo Programa Brasileiro GHG Protocol.3

O Programa Brasileiro GHG Protocol disponibiliza fatores padrão de emissão médios do IPCC (Intergovernamental Panel of Climate Change) e da EPA (United States Enviromental Protection Agency) para combustíveis no caso de combustão estacionária. Em alguns casos, os fatores de emissão são adaptados ao contexto nacional, como no caso da porcentagem de biodiesel presente no óleo diesel. A tabela abaixo apresenta os fatores de emissão para alguns combustíveis.

TABELA 2 - FATORES DE EMISSÃO PARA COMBUSTÍVEIS E RESPECTIVOS POTENCIAIS DE AQUECIMENTO

COMBUSTÍVEL SETOR KG CO2/TJ KG CH4/TJ KG N2O/TJ

Óleo combustível industrial 74.100 3 0.6

Gás natural industrial 56.100 1 0.1

Coque de petróleo industrial 97.500 3 0.6

Madeira industrial 112.000 30 5

Licor negro industrial 95.300 3 2

Fonte: dados obtidos do Programa Brasileiro GHG Protocol

3.5.2 EMISSÕES EVITADAS RESULTANTES DA ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA

A estimativa da redução das emissões de GEE procedentes da economia de energia elétrica seguirá a metodologia AMS-I.D.4 . Desse modo, as emissões evitadas serão calculadas pela seguinte equação:

Emissão evitada=Economia de energia elétrica × Fator de emissãoelétrico

Os fatores de emissão de CO2 pela compra de energia elétrica proveniente do Sistema Interligado Na-cional (SIN) são publicados pelo Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT), e são calculados de acordo com a ferramenta metodológica aprovada pelo Conselho Executivo do MDL.

O fator de emissão elétrico (EFgrid,CM,y) é composto pela combinação do fator de emissão da margem de operação (EFgrid,OM,y) e do fator de emissão da margem de construção (EFgrid,BM,y). O fator de emissão da margem de operação considera que a energia seria procedente das usinas marginais que constituem o SIN. Já o fator de emissão da margem de construção representa a expansão do sistema elétrico, conectado ao SIN, considerando a construção de novas usinas conforme a tendência de construção observada. A composição é realizada da seguinte forma:

EFgrid,CM,y= EFgrid,OM,y×WOM+EFgrid,BM,y×WBM

Onde:

• WOM: peso do fator de emissão da margem de operação;

• WBM: peso do fator de emissão da margem de construção.

3 O GHG Protocol é uma ferramenta utilizada para entender, quantificar e gerenciar emissões de GEE. Este programa é desenvolvido pelo GVces (Centro de Estudos em Sustentabilidade) da Escola de Administração de Empresas da Fundação Getúlio Vargas e pelo WRI (World Resources Institute) em parceria com o Ministério do Meio Ambiente, com o CEBDS (Conselho Empresarial Brasileiro para o Desenvolvimento Sustentável), com o WBSCD (World Business Council for Sustainable Development) e 27 Empresas Fundadoras4 Metodologia aprovada para projetos de Mecanismos de Desenvolvimento Limpo (MDL), disponibilizada pela United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC).


Por definição da metodologia AMS-I.D, os valores de WOM e WBM são iguais a 0,50 para o primeiro ano após a implantação.

Como exemplo, será calculado a seguir o fator de emissão para o ano de 2010. A figura a seguir apresenta os fatores de emissão de CO2 da margem de operação e construção referentes àquele ano, disponibilizados pelo MCT.

FIGURA 8 - FATORES DE EMISSÃO DA MARGEM DE OPERAÇÃO E DA MARGEM DE CONSTRUÇÃO.

MARGEM DE CONSTRUÇÃO

fator de emissão medio (tCO2 /MWh) - ANUAL

2010 0.1404

MARGEM DE OPERAÇÃO

fator de emissão medio (tCO2 /MWh) - MENSAL

MÊS

2010 janeiro fevereiro março abril maio junho julho agosto setembro otubro novembro dezembro

0.2111 0.2798 0.2428 0.2379 0.3405 0.4809 0.4347 0.6848 0.7306 0.7320 0.7341 0.6348

Fonte: dados obtidos do Programa Brasileiro GHG Protocol

O cálculo do fator de emissão de CO2 da margem combinada é dado pela tabela abaixo.

TABELA 3 - CÁLCULO DO FATOR DE EMISSÃO DE CO2 DA MARGEM COMBINADA DO SIN

Fator de emissão margem de operação (média anual) 0,4787 tCO2/MWh

Fator de emissão margem de construção 0.1404 tCO2/MWh

Peso do fator de emissão da margem de operação 0.50 -

Peso do fator de emissão da margem de construção 0.50 -

Fator de emissão da margem combinada 0.3095 tCO2/MWh

Fonte: MCT

30


30 31

4. PARTICULARIDADES DAS CLASSES DE EQUIPAMENTOS

Para cada uma das classes de equipamento, descritas no item 1, serão apresentadas as considera-ções necessárias para implantação da metodologia proposta. Será definida (1) a opção do IPMVP selecionada, (2) os parâmetros energéticos e de produção, que sempre devem ser medidos, e (3) serão listadas possíveis variáveis independentes que também devem ser medidas, mas que variam de caso a caso.

4.1 CALDEIRASA caldeira é um equipamento cuja função é produzir vapor para ser utilizado em aquecimento, acionamento de máquinas, esterilização, cozimento, etc. Apesar de existirem diversos tipos de caldeiras, o método a ser utilizado pretende abranger todas elas.

4.1.1 OPÇÃO DO IPMVP E VOLUME DE CONTROLE

A análise da economia energética, obtida por meio da implantação de medidas de eficiência em Caldeiras, será determinada segundo as diretrizes da Opção B do IPMVP. Isso significa que o equipamento e seus auxiliares serão definidos como volume de controle e que todos os parâmetros com impacto significativo no consumo deverão ser monitorados.

O volume de controle a ser analisado é mostrado a seguir:

32


FIGURA 9 - ESQUEMA ILUSTRATIVO DA ESCOLHA DE VOLUME DE CONTROLE E VARIÁVEIS IMPORTANTES PARA A CALDEIRA


4.1.2 PARÂMETROS ENERGÉTICOS E DE PRODUÇÃO

Para as caldeiras, deverão ser registrados os seguintes parâmetros energéticos e de produção:

1. Produção de vapor. Deverá ser medido o vapor útil, que é definido como o vapor gerado na caldeira menos o vapor consumido por ela. Logo, deve ser descontado o vapor da sopragem, atomização e aquecimento do combustível. Vale ressaltar que dependendo da posição onde se encontram os medidores, estes consumos já podem ter sido deduzidos.

2. Consumos de combustíveis. Todos os combustíveis deverão ser medidos, desde os usuais como óleo, gás natural, carvão e biomassa até os gases combustíveis residuais, provenientes de outros processos que, em alguns casos, são incinerados nas caldeiras.

Em caldeiras de recuperação do processo de produção de ácido sulfúrico, deve-se medir o consumo de enxofre e, em caldeiras de recuperação química, do processo de produção de papel e celulose, deve-se medir o consumo de licor negro.

No caso das caldeiras elétricas, não existe consumo de combustíveis e, no caso das caldeiras de recuperação de gases quentes, o aporte térmico deverá ser calculado em função da vazão dos gases, sua composição e sua temperatura.

3. PCI dos combustíveis. O PCI deve ser monitorado, pois sua variação impacta diretamente no cálculo da economia. Para alguns combustíveis, como é o caso do gás natural, é usual que se utilize nos cálculos um valor de PCI constante. No entanto, conforme pode ser visto no gráfico abaixo, construído por meio do acompanhamento do PCI do gás em uma unidade fabril localizada na região sudeste, pode haver uma variação significativa que pode descaracterizar a economia real. No caso abaixo, a amplitude da variação ultrapassa 10%.

Água Alim.

Combustível

Ar Atmosférico

Energia Elétrica

Insumos Processo Produtos

Caldeira

Auxiliares

Vapor

Gases

Outras Perdas

32 33 4 PARTICULARIDADES DAS CLASSES DE EQUIPAMENTOS

FIGURA 10 - VARIAÇÃO DO PCI DO GÁS NATURAL


Para alguns combustíveis, como, por exemplo, o bagaço-de-cana e o licor negro, normalmente são feitas as análises de poder calorífico superior do produto seco. Nos cálculos, ele deve ser corrigido para o poder calorífico inferior e também deve passar por uma correção de umidade.

No caso do licor negro, na câmara de combustão das caldeiras, ocorre uma redução do Na2SO4 para Na2S. Essa redução consome parcela significativa da energia liberada na combustão e, portanto, deve ser considerada no cálculo do PCI.

4. Consumo elétrico. Em caldeiras elétricas, todo o aporte energético vem da eletricidade. Nas demais, apesar de secundário, deve-se incluir na análise o consumo elétrico dos auxiliares, tais como:

• Ventiladores ar de combustão

• Ventiladores de exaustão

• Bombas de alimentação de água

• Bombas de água desmineralizada

• Bombas de circulação forçada

• Sistema de ar comprimido

• Sistema de tratamento de gases

» Bombas de óleo

» Aquecimento elétrico de óleo combustível

» Transporte pneumático de combustíveis sólidos

» Correias para transporte de combustíveis sólidos

» Moagem de combustíveis sólidos

» Rachadores e picadores de toras (biomassa)

Como todos esses consumos serão agrupados para o cálculo do consumo elétrico total, não há necessidade de que cada um dos equipamentos seja medido separadamente.

As medições dos fluxos de vapor e combustíveis deverão seguir os padrões especificados pela ASME Performance Test Code - PTC4.

34


4.1.3 DEMAIS VARIÁVEIS INDEPENDENTES

Além dos parâmetros acima, que sempre deverão ser medidos e registrados, poderá ser necessário o registro de outras variáveis caso elas se alterem ao longo do tempo e caso essas alterações resultem em impacto significativo no consumo das caldeiras. Se isso ocorrer, será necessário fazer a divisão dos períodos de referência e pós-execução em grupos para realização da comparação em mesma base, conforme apresentado no item 3 do relatório.

Para a caldeira, os principais parâmetros são:

1. Pressão do vapor produzido

2. Temperatura do vapor produzido

3. Temperatura da água de alimentação da caldeira

4. Proporção do aporte térmico fornecido por cada um dos diferentes tipos de combustíveis. Aplicado em caldeiras que queimam mais de um combustível. Isso porque, mesmo que o aporte térmico da caldeira seja mantido constante, a alteração na proporção da contribuição de cada um dos combustíveis pode alterar o perfil de temperatura dos gases e, consequentemente, o rendimento do equipamento

5. Composição, umidade e PCI do combustível

6. Condições climáticas;

Nota com relação ao item 3: Uma medida de eficiência energética muito comum em caldeiras consiste na instalação de linhas de retorno de condensação de processo à caldeira, que resulta em uma elevação da temperatura de água de alimentação. Especificamente, neste caso, não se deve separar os períodos de referência e pós-execução em grupos em função desta temperatura para fazer a comparação em mesma base. Isso porque, neste caso, o que se quer quantificar é justamente o efeito dessa mudança de temperatura, que é o resultado da ação de eficiência.

4.1.4 EXEMPLO - INSTALAÇÃO DE ECONOMIZADOR EM CALDEIRA FLAMOTUBULAR

Uma caldeira flamotubular da empresa A, que fabrica suco de laranja concentrado, opera atualmente com cargas entre 5 e 10 t/h.

Esta caldeira possui as seguintes características:

• Caldeira Convencional

• Flamotubular

• Sem economizador

• Geração máxima de 10 t/h

• Combustível: gás natural

A medida de eficiência energética adotada foi a instalação de economizador, aproveitando-se do calor dos gases da chaminé para aquecer a água de alimentação. Esta medida foi realizada no final de dezembro de 2010.

Do acompanhamento da operação da caldeira, verificou-se que alguns parâmetros ficam constantes, como por exemplo, a temperatura da água de alimentação e o estado do vapor produzido. Constatou-se também que os demais parâmetros, como a temperatura ambiente, possuem pouquíssima influência no aporte total e, portanto, seus efeitos foram desprezados.


Com relação aos instrumentos de medição, os seguintes dados foram levantados:

• Precisão do Instrumento de medição de consumo do gás natural 1%

• Precisão do Instrumento de medição de vazão do vapor 1%

Antes da implantação da medida de eficiência, foram obtidos os dados históricos da produção e do consumo da caldeira por meio do sistema supervisório da unidade para o período de um ano, com dados médios horários. Foi utilizado este período, pois, neste caso, ele abrange todos os modos e ciclo de funcionamento, dado que a produção de suco de laranja é sazonal.

Por meio dos levantamentos de consumos de gás natural, PCI e produção de vapor, calcularam-se os consumos específicos, definindo-se os pontos de operação do período de referência, indicados no gráfico abaixo. Em seguida, gerou-se uma curva por meio de uma regressão para um polinômio de segundo grau, e obteve-se a equação de consumo específico em função da produção de vapor que representa o período de referência.

FIGURA 11 - PONTOS DE OPERAÇÃO DO PERÍODO DE REFERÊNCIA E RESPECTIVA REGRESSÃO


Verificou-se que o R² é superior a 0,75, o que mostra que o modelo de segundo grau utilizado está aderente aos pontos reais. Também, calculou-se o erro padrão deste modelo obtendo-se o valor de 6,04 MJ/t vapor, que será utilizado no cálculo da incerteza da economia.

Depois de implantada a medida de eficiência energética, foram levantados os dados de operação do período de pós-execução de um ano, que representa um ciclo completo de operação.

Assim, dados a equação de operação do período de referência e os valores obtidos de consumos e produções horários da caldeira após a instalação do economizador, é calculada a economia da cal-deira conforme o procedimento abaixo:

1. Calcula-se o consumo teórico da caldeira caso não houvesse a medida de eficiência energética, da seguinte forma:

• Substituem-se as produções do período de pós-execução na equação de consumo específico em função da produção de vapor, que representa o período de referência. Serão obtidos com isso os consumos específicos teóricos.

36


• Multiplicam-se os consumos específicos teóricos pelas respectivas produções do período de pós-execução, obtendo-se os consumos teóricos.

2. Calcula-se a economia energética para cada hora pela diferença entre o consumo teórico e o real. A partir destes dados, calcula-se a diminuição do consumo de combustível.

3. Utilizando um fator de emissão de CO2 para o gás natural (retirado das tabelas do IPCC; adotou-se o menor valor, 1,94 kg CO2/ m3), calcula-se a redução da emissão deste gás.

Para ilustrar o procedimento, a tabela a seguir mostra os resultados dos cálculos das economias diárias obtidas para as primeiras 24 horas do mês de janeiro. Este procedimento deve ser realizado para todo o período a ser analisado, que é para o ano de 2011.

TABELA 4 - CÁLCULO DA ECONOMIA HORÁRIA PARA O EXEMPLO DA CALDEIRA


Para estas primeiras 24 horas, os resultados foram os seguintes:

• Produção Total: 190 toneladas

• Consumo Térmico Real Total: 485.597 MJ

• Consumo Térmico Teórico Total: 503.440 MJ

• Economia Total: 17.842 MJ (509 m³ 0,987 t CO2)

A tabela a seguir mostra os resultados dos cálculos do Erro Padrão (EP) para cada intervalo, onde:

• EP Produção e EP Consumo Real foram calculados pela equação B-13 do IPMVP:


• EP Consumo Teórico foi calculado por:

Onde EP CE é erro padrão da estimativa do modelo da regressão, calculado a partir dos dados do período de referência, que neste caso, conforme foi mostrado acima, corresponde a 6,04 MJ/t vapor.

• EP Economia foi calculado por:

TABELA 5 - CÁLCULOS DOS ERROS PADRÕES


O erro padrão da economia total, para estas primeiras 24 horas, é calculado pela raiz das soma dos quadrados de cada erro padrão, e obtém-se o valor de 766 MJ.

A precisão absoluta é calculada a partir do erro padrão multiplicada pelo valor “t”, obtido do Quadro B-1 do IPMVP para um intervalo de confiança de 95%, que neste caso é de 2,07 (24 pontos). Ou seja, a economia ao final dessas 24 horas foi de (17.842 ± 2,07 * 766) MJ.

Este cálculo foi aplicado para os demais dias de 2011. A economia térmica totalizada ao final deste período foi de 3.963.303 ± 29.270 MJ, o que representou 3,7% do consumo evitado se não houvesse a instalação do economizador, significando uma redução de consumo de 112.959 m³ de gás natural,

38


equivalente a uma emissão de 219,1 t CO2.

De maneira similar, os efeitos sobre o sistema auxiliar foram verificados por meio de medições elétricas. Para esta caldeira, havia medição dedicada para o cubículo de seus auxiliares (bomba e ventilador de admissão). O impacto nos auxiliares com a instalação do economizador implicou apenas em redução de ar de combustão. A perda de carga extrarresultante da instalação do economizador foi neutralizada pela maior abertura do damper do ventilador.

A economia do consumo de energia elétrica totalizada ao final deste período foi de 38.275 ± 273 MJ, o que equivale a uma emissão evitada de 3,29 t CO2, uma vez que o fator de emissão da margem combinada para o ano de 2010 foi de 0,3095 tCO2/MWh.

O erro padrão do consumo teórico (ver item 3.4.1.3) é de 10.975 MJ, dado por:

• EP (consumo teórico térmico) =10.972 MJ, e é o erro padrão do consumo teórico térmico;

• EP (consumo teórico elétrico) = 273 MJ, e é o erro padrão do consumo teórico elétrico.

Como ele é menor que metade da economia total (térmico + elétrico), o cálculo é válido.

4.2 FORNOSOs fornos discutidos neste relatório são aqueles dotados de sistema de combustão, com o objetivo de causar um transiente de temperatura no produto de forma a alterar suas características físicas e, em alguns casos, químicas.

A metodologia de cálculo de economia de fornos é a mesma que a aplicada às caldeiras. Entretanto, deve-se tomar um cuidado maior com a variação do processo. Isso porque, ele envolve mais variáveis independentes que a caldeira, onde cujas propriedades físico-químicas do vapor são muito mais conhecidas e de fácil medição se comparadas com processos dos fornos.


A análise da economia energética, obtida por meio da implantação de medidas de eficiência em fornos, será determinada segundo as diretrizes da Opção B do IPMVP. Isso significa que o equipamento e seus auxiliares serão definidos como volume de controle e que todos os parâmetros com impacto significativo no consumo deverão ser monitorados.

O volume de controle a ser analisado é mostrado a seguir:

RESTRIÇAO NA SUCÇÃO

1 2 3 QUEIMADOR FORNALHA4

M

ventilador damper


FIGURA 12 - ESQUEMA ILUSTRATIVO DE VOLUME DE CONTROLE E VARIÁVEIS IMPORTANTES PARA O FORNO




Nos fornos, deverão ser registrados os seguintes parâmetros energéticos e de produção:

1. Produção

2. Consumos de combustíveis: todos os combustíveis deverão ser medidos, desde os usuais como óleo, gás natural, carvão e biomassa até os gases combustíveis residuais, provenientes de outros processos que, em alguns casos, são incinerados em fornos.

3. PCI dos combustíveis

4. Consumo elétrico: deve-se incluir na análise o consumo elétrico dos auxiliares, tais como:


• Ventiladores de exaustão;

• Ventiladores de recirculação/processo;

• Sistema de ar comprimido;

• Sistema de tratamento de gases;

• Sistema de alimentação de matéria prima;

• Sistema de transporte de produtos e resíduos;

• Consumo associado ao transporte, armazenamento e tratamento de combustível:

» Bombas de óleo;

» Aquecimento elétrico de óleo combustível;

» Transporte pneumático de combustíveis sólidos;

» Correias para transporte de combustíveis sólidos;

Alimentação

Combustível

Ar Atmosférico

Energia Elétrica


Forno

Auxiliares

PRODUTO

Gases

Outras Perdas

40


» Moagem de combustíveis sólidos;

» Rachadores e picadores de toras (biomassa);



Possíveis fatores que podem influenciar no consumo dos fornos são:

1. Temperatura de alimentação da matéria-prima: esse fator tem grande impacto no consumo de energia e merece grande atenção. Podemos citar aqui como exemplo o caso dos fornos de reaquecimento de tarugos destinados à laminação, na indústria siderúrgica. Ele pode receber tarugos quentes provenientes do lingotamento ou tarugos frios provenientes da estocagem, ou ainda, um pouco de cada. Obviamente, o forno apresentará um consumo muito maior quando receber barras à temperatura ambiente do que quando receber barras a aproximadamente 700°C, o que gera a necessidade de separar os pontos de operação em grupos para que se faça a análise sempre em mesma base.

2. Umidade de entrada da matéria-prima

3. Composição da matéria-prima

4. Variação de produtos, que envolve:

• Composição do produto:

• Dimensões/superfície específica do produto

• Perfil de temperatura do produto no forno

• Tempo de residência do produto no forno

Um forno pode tratar mais de um tipo de produto, como por exemplo, os fornos de tratamento térmico de tubos, onde cada tipo de tubo necessita de um perfil de temperatura e de um tempo de tratamento. Para estes casos, é preciso traçar diversas curvas, uma para cada tipo de material. Se possível, devem-se criar grupos de produtos com características e consumos específicos semelhantes.

5. Proporção diferente dos combustíveis utilizados, caso utilizado mais de um

6. Composição, umidade e PCI dos combustíveis

7. Condições climáticas.

4.2.4 EXEMPLO - INSTALAÇÃO DE RECUPERADOR MAIS EFICIENTE EM FORNO

O exemplo abaixo é de um forno de reaquecimento de tarugos em indústria siderúrgica.

Este forno tem produção de 40 t/h, sendo que podem ser alimentados tarugos quentes (700°C) ou frios (25°C), queima gás natural e possui um recuperador com diversos vazamentos. A medida de eficiência energética foi a instalação de um recuperador mais eficiente, realizada em final de dezembro de 2009.


FIGURA 13 - ESQUEMA DO FORNO DE REAQUECIMENTO COM RECUPERADOR


Durante o planejamento da M&V, verificou-se que ocorre alimentação somente de barras quentes ou frias, ou seja, as barras nunca são intercaladas entre si. Desta maneira, apenas duas curvas foram necessárias para o período de referência, uma representando as barras quentes e outra as frias, como pode ser observado na figura a seguir:

FIGURA 14 - PONTOS DE OPERAÇÃO PARA AS DUAS OPERAÇÕES NO FORNO E SUAS RESPECTIVAS REGRESSÕES


O procedimento de cálculo para o forno é o mesmo utilizado no exemplo da caldeira, porém, com a divisão dos períodos em dois grupos. O intervalo de transição entre barras quentes e frias foi desconsiderado por ser muito curto em comparação aos demais.

O período de referência utilizado foi de um mês, para se obterem diversos pontos de operação do forno, com alimentação de tarugos quentes e frios. A quantidade de pontos obtidos foi suficiente de maneira a caracterizar a curva de operação do forno e reduzir o erro padrão do modelo de regressão.

42


A tabela a seguir mostra em maiores detalhes os resultados do cálculo de economia para o período de um dia.

TABELA 6 - CÁLCULO DA ECONOMIA HORÁRIA PARA O EXEMPLO DO FORNO

F

fonte: Elaboração Própria

A economia para o primeiro dia representa 38.352 MJ (4,52%) do total de energia que seria gasto caso não houvesse a medida de eficiência, uma redução de consumo de gás natural de 1.093 m³ e de 2,1 t CO2 de emissão.

Para facilitar a visualização, os resultados anteriores são apresentados no seguinte gráfico:

FIGURA 15 - GRÁFICO DA ECONOMIA HORÁRIA OBTIDA PARA O EXEMPLO DO FORNO



De maneira similar, os efeitos sobre o sistema auxiliar foram verificados por meio de medições elétricas. Para este caso, o impacto nos auxiliares com as melhorias no recuperador implicou apenas em redução de ar no ventilador de ar de combustão.

A economia do consumo de energia elétrica totalizada ao final das primeiras 24 horas foi de 503 MJ.

Os cálculos foram aplicados para os demais dias de 2011. A economia térmica totalizada ao final deste período foi de 14.157.770 ± 21.107 MJ, o que representou 4,92% do consumo teórico caso não houvesse as melhorias do recuperador. Isso corresponde a uma redução de consumo de 403.523 m³ de gás natural, equivalente a uma emissão de 783 t CO2, utilizando um fator próprio de emissão, obtido de análises realizadas em laboratório especializado. A economia elétrica representou 165.990 ± 1.450 MJ, o que equivale a uma emissão evitada de 14,27 t CO2, uma vez que o fator de emissão da margem combinada para o ano de 2010 foi de 0,3095 tCO2/MWh.

4.3 SECADORESSecadores são equipamentos que têm a função de retirar água ou algum outro tipo de fluido contido em um determinado produto.


Assim como para as caldeiras e fornos, a análise da economia energética, obtida por meio da implantação de medidas de eficiência em secadores, será determinada segundo as diretrizes da Opção B do IPMVP. Isso significa que o equipamento e seus auxiliares serão definidos como volume de controle e que todos os parâmetros com impacto significativo no consumo deverão ser monitorados.

O volume de controle a ser analisado é mostrado abaixo:

FIGURA 16 - ESQUEMA ILUSTRATIVO DE VOLUME DE CONTROLE E VARIÁVEIS IMPORTANTES NA SECAGEM


Alimentação Seco

Combustível

Ar Atmosférico

Água Contida


Secador

Auxiliares

Produto

Gases

Outras Perdas

Energia Elétrica

44



Para a secagem os parâmetros energéticos e de produção, que deverão ser registrados, serão:

1. Produção: quando houver recirculação de produto na secagem, a produção do secador deve ser medida após o ponto de recirculação. Por exemplo: na granulação de fertilizante, após o secador, existe uma classificação que separa o material fora de especificação e o envia novamente ao granulador. Este material é misturado com água, granulado, para então ser secado novamente. A medição de produção deve ser a do fluxo na saída da classificação (chamado de “output”) e não o da saída do secador (chamado de “throughput”).

2. Consumos de combustíveis

3. PCI dos combustíveis

4. Consumo elétrico: deve-se incluir na análise, o consumo elétrico dos auxiliares, tais como:


• Ventiladores de exaustão

• Ventiladores de recirculação

• Sistema de ar comprimido

• Sistema de tratamento de gases

• Sistema de alimentação de produto úmido

• Sistema de transporte de produtos seco

• Consumo associado ao transporte, armazenamento e tratamento de combustível:

» Bombas de óleo;

» Aquecimento elétrico de óleo combustível;

» Transporte pneumático de combustíveis sólidos;

» Correias para transporte de combustíveis sólidos;

» Moagem de combustíveis sólidos;

» Rachadores e picadores de toras (biomassa);



As demais variáveis que podem influenciar no consumo dos secadores são:

1. Umidade de entrada da matéria-prima: nos secadores, é necessário ter uma atenção especial à umidade de entrada do produto, que tem grande impacto na carga térmica. Principalmente quando não houver um controle de processo desta variável. Por exemplo: nas secagens de minério, a umidade depende das condições ambientais já que a matéria-prima fica exposta ao tempo nas minas, pátios de estocagem e durante o transporte. Nesses casos, deve haver um monitoramento da umidade e as comparações deverão ser sempre feitas em mesma base, ou seja, deverão ser criadas equações para as diversas faixas de umidade existentes.

2. Umidade de saída do produto

3. Temperatura de alimentação da matéria-prima


4. Composição da matéria-prima

5. Variação de produtos, que envolve:

• Composição do produto

• Dimensões/superfície específica do produto

6. Proporção diferente dos combustíveis utilizados, caso utilizado mais de um

7. Composição, umidade e PCI dos combustíveis

8. Condições climáticas.

4.4 ELETRÓLISENo processo da eletrólise ocorre a separação de elementos químicos de um composto por meio de um intenso uso da energia elétrica. Em alguns tipos de eletrólise, como na do alumínio, há consumo de carbono e geração de CO2, CO e outros compostos. Apesar do carbono geralmente ser encarado como um insumo, ele será tratado aqui como um combustível. Será necessário, portanto, o acompanhamento desse consumo.


A análise da economia energética, obtida por meio da implantação de medidas de eficiência na eletrólise, será determinada segundo as diretrizes da Opção B do IPMVP. Isso significa que o equipamento e seus auxiliares serão definidos como volume de controle e que todos os parâmetros com impacto significativo no consumo deverão ser monitorados.

Para o processo de eletrólise, serão considerados dentro do volume de controle as cubas eletrolíticas, os retificadores e transformadores. Estes dois últimos normalmente são dedicados ao fornecimento de energia elétrica às cubas e, por isso, estão sendo considerados neste volume de controle. Neles também estão associadas algumas perdas elétricas, que também podem ser encontradas nos barramentos de interligação das células eletrolíticas e nos contatos entre as barras equipotenciais e os eletrodos (catodo e ânodo).

FIGURA 17 - ESQUEMA ILUSTRATIVO DE VOLUME DE CONTROLE E VARIÁVEIS IMPORTANTES NA ELETRÓLISE



Auxiliares

Perdas

Alimentação

Outros Aportes

Energia Elétrica

Eletrólise- Cubas Eletrolíticas

- Retificador- Transformador

Produto

46



Os seguintes parâmetros deverão ser medidos e registrados:

1. Produção

2. Consumos de combustíveis: na indústria do alumínio, deverão ser medidos e registrados os consumos de anodo, uma vez que eles resultam em emissões de gases de efeito estufa. Para o processo “Soderberg” deve-se medir o consumo de pasta e para o processo “Prebake” deve-se medir o consumo de anodos pré-cozidos.

3. PCI do anodo

4. Consumo elétrico: a medição de energia elétrica deve ser realizada na entrada do transformador, de modo a incluí-lo no volume de controle. Com isso, medidas de eficiência energética realizadas no equipamento serão também contabilizadas.

Deve-se incluir na análise o consumo elétrico dos auxiliares, tais como:

• Sistema de exaustão e tratamento de gases

• Sistema de bombeamento de solução eletrolítica e solução exaurida;

• Torres de resfriamento.


As demais variáveis que podem influenciar no consumo das eletrólises são:

1. Densidade de corrente: a densidade de corrente com a qual as células eletrolíticas estão operando possui forte influência no consumo específico de energia elétrica da eletrólise. Por exemplo, a tabela abaixo apresenta uma referência de consumo específico em função da densidade de corrente utilizada, para a eletrólise de zinco:

TABELA 7 - INFLUÊNCIA DA DENSIDADE DE CORRENTE NO CONSUMO ESPECÍFICO

DENS. DE CORRENTE (A/M2) CONSUMO ESPECÍFICO (KWH / T)

300 2690

400 2760

500 2850

600 2950

Fonte: An Optimal Power-Dispatching Control System for the Electrochemical Process of Zinc Based on Backpropagation and Hopfield Neural Networks” por Chunhua Yang, Geert Deconinck and Weihua Gui.

Verifica-se na tabela acima que o consumo específico na eletrólise de zinco aumenta muito com a densidade de corrente. Desse modo, as comparações deverão ser realizadas em mesma base, ou seja, os períodos de referência e pós-execução deverão ser separados em grupos de pontos de operação de acordo com a faixa de densidade de corrente e a comparação sempre deverá ser feita entre os grupos correspondente, que possuem pontos dentro da mesma faixa (ver item 3 do relatório). Apenas nos casos específicos onde a própria ação de eficiência energética está associada a uma mudança na densidade de corrente, não se deve fazer a comparação em mesma base, já que o objetivo é justamente verificar o impacto dessa mudança. O mesmo vale para as demais variáveis independentes listadas a baixo.

2. Temperatura da solução


3. Concentrações da solução eletrolítica

4.5 BOMBASBombas são máquinas que realizam trabalho sobre um líquido por meio da energia mecânica prove-niente de uma força motriz, cuja finalidade é realizar o deslocamento do líquido por escoamento.As bombas podem ser classificadas em dois grandes grupos:

• Bombas de deslocamento positivo ou volumétricas: engrenagem, lóbulos, parafusos, pistão, diafragma

• Bombas dinâmicas ou turbobombas: centrífuga, de fluxo misto, axial.

4.5.1 OPÇÃO DO IPMVP

Nos casos onde a bomba, alvo da ação de eficiência energética, operar de forma constante e não existirem medições e registros de seus parâmetros de processo, poderão ser feitas medições instantâneas do consumo elétrico nos períodos de referência e pós-execução para o cálculo da economia. Neste caso, para a totalização da economia, será ainda necessário estimar o tempo de operação anual da bomba com base em outros equipamentos do mesmo processo, que possuam registros de parâmetros de operação. Uma vez que será feita tal estimativa, a análise se enquadra na Opção A do IPMVP.

Nos demais casos, quando a bomba não opera de forma constante, todos os parâmetros de processo com impacto no consumo energético deverão ser monitorados, conforme as diretrizes da Opção B do IPMVP.

As medições devem atender às normas especificadas na ASME PTC 8.2-1990, Centrifugal Pumps. PTC 8.2

4.5.2 MÉTODOS DE CÁLCULO PARA BOMBAS

No caso das bombas, esta metodologia propõe três métodos para o cálculo da energia evitada. Os métodos propostos são utilizados de acordo com as condições de operação do sistema de bom-beamento e das medições disponíveis, a saber:

• Método 1 – Ponto Único de Operação:

» Vazão e rotação constantes.

• Método 2 – Períodos de Referência e Pós-execução definidos via Curva Característica:

» Vazão variável e rotação constante (controle via válvula)

» Registro de vazão existente e registro de potência elétrica inexistente.

• Método 3 – Levantamento Completo:

» Vazão e rotação variáveis (controle via inversor de frequência)

» Exige registro de vazão e de potência elétrica.

Método 1: Ponto Único de Operação

Quando a bomba trabalhar em regime constante, sem variações de vazão e de rotação, será necessário apenas fazer uma comparação direta do consumo elétrico do período de referência e do período pós-execução. Para isso, deverão ser medidas as potências elétricas em cada um dos períodos.

Para calcular a economia total anual, será necessário saber qual é o regime de operação da bomba,

48


ou seja, quantas horas por ano ela opera. Este valor poderá ser estimado com base no regime de operação de outro equipamento do mesmo processo, que opera junto com a bomba em questão, e que possui registros de parâmetros de processo que possibilitem distinguir os momentos de operação e parada (consumo elétrico, consumos de combustíveis, produção, etc).

Além da medição de consumo elétrico da bomba, recomenda-se que seja medida a vazão nos dois períodos como forma de se certificar que não houve mudanças nas condições operacionais. Quando houver possibilidade de variações, deve-se também verificar a densidade do fluido nos dois períodos (no caso de lama, por exemplo). Para este método, também é necessário que se faça a quantidade de leituras/medições suficiente para que o critério de validação da economia seja atendido, o erro deve ser menor que a metade da economia.

Exemplo: Uma unidade possuía três fornos elétricos, que operavam em paralelo. Em 2005, um dos fornos foi desativado. O sistema de resfriamento das paredes dos fornos e de trechos da tubulação de gases quentes era comum aos três equipamentos e, com a desativação de um deles, ele ficou superdimensionado. O sistema é dotado de uma bomba de água principal e uma reserva e o ajuste de vazão é realizado por meio de válvulas manuais. Como a bomba ficou superdimensionada para a operação com dois fornos, as válvulas trabalhavam bastante fechadas. Decidiu-se, então, substituir os rotores das bombas para outros menores, reduzindo-se a pressão de fornecimento da água e o consumo elétrico. Com isso, o sistema passaria a trabalhar com válvulas mais abertas de modo que a vazão não seria modificada.

Para possibilitar a verificação da economia, durante o período de referência, mediram-se a potência da bomba e a vazão de água para cada forno. Depois de implantada a alternativa, foram ajustadas as vazões de água de resfriamento para os dois fornos aos mesmos valores do período anterior à troca de rotores. Após ajustadas as válvulas manuais e confirmada a vazão por meio de medições, mediu-se a potência da bomba na nova condição. A redução de potência é obtida pela diferença entre as potências medidas antes e depois da troca de rotores. Para calcular a economia anual, era necessário saber qual é o regime de operação da bomba. A estimativa foi feita igualando-se o regime da bomba ao dos fornos, que pôde ser verificado graças ao registro de consumo de gás natural.

Método 2: Períodos de Referência e Pós-execução definidos via Curva Característica

Este método pode ser aplicado nos casos onde a rotação da bomba permanece constante e a vazão varia em função da variação na curva do sistema (abertura de válvula, variação de níveis, etc.). Os pontos de operação do período de referência e pós-execução serão determinados com base nas informações de fabricação da bomba e do acionamento.

O método poderá ser usado quando não existir registro de medição de potência elétrica da bomba e existir apenas registro de vazão. Por meio da curva de potência no eixo em função da vazão, fornecida pelo fabricante da bomba, e da curva de rendimento em função de carga do conjunto de tração (motores e, quando houver, inversores e acoplamentos), é possível traçar uma curva de potência consumida pelo motor em função da vazão da bomba. Como a vazão é registrada, é possível calcular a economia da seguinte forma:

• Substituindo-se as vazões do período de pós-execução na curva do período de referência, obtém-se a energia teórica que o equipamento iria consumir caso não houvesse a ação de eficiência energética.

• Substituindo-se as vazões do período de pós-execução na curva do período de pós-execução, calcula-se o consumo energético real.

• A diferença entre o primeiro e o segundo é a economia de energia elétrica.


Antes de aplicar esse método, será necessário verificar se a bomba está operando dentro do previsto na curva. Para isso, será necessária a medição de potência elétrica em pelo menos um ponto de operação. O método só poderá ser usado caso a diferença entre a potência elétrica medida nesse ponto e a prevista na curva seja menor que 5%.

Caso a consistência da curva característica não seja confirmada, poderão ser levantadas as curvas dos períodos de referência e pós-execução por meio de operação forçada, regulando-se a abertura de válvulas com base na medição de vazão e medindo-se a potência do motor em cada ponto.

Método 3: Levantamento Completo

Este método é aplicado para: a) vazão variável e rotação constante; b) vazão e rotação variáveis.

Ele não possui simplificações como nos casos anteriores, sendo, portanto, similar ao cálculo dos demais equipamentos apresentados, ou seja, segue a metodologia apresentada no item 03 do relatório:

• Por meio do levantamento de dados do período de referência, determina-se uma equação de consumo em função da produção (no caso da bomba é a vazão)

• Após a implantação da ação de eficiência energética, faz-se o levantamento de dados do período de pós-execução, e são coletados os dados de vazão e consumo

• Substituindo-se as vazões do período de pós-execução na equação do período de referência, calcula-se o consumo teórico que a bomba teria caso não houvesse a ação de eficiência

• Subtraindo-se desse consumo o consumo real medido no pós-execução, obtém-se a economia.

Para bombeamentos de fluidos onde não há variação significativa de densidade, em todas as situações em que antes da ação de eficiência energética a bomba operar com rotação fixa (sem inversor de frequência), não será necessário o monitoramento de pressão. Isso porque, para cada bomba, existe uma curva característica de potência em função de vazão, que definirá todas as suas condições de operação, independentemente de variações de processo, como mudança de aberturas de válvulas, variações de pressões e níveis em tanques, etc. Com o levantamento de dados de potência e vazão será possível obtê-la. Quando o processo permitir, o levantamento poderá ser feito por meio de operação forçada, regulando-se a abertura de válvulas.

Entretanto, quando houver variação da rotação da bomba no período de referência, não será possível definir uma única equação de potência em função de vazão. Neste caso, será necessário definir a diferença de pressão na bomba como uma variável independente e, conforme a metodologia descrita no item 3, dividir os períodos de referência e pós-execução em grupos em função das diferenças de pressão e realizar os cálculos sempre em mesma base.

Este procedimento deverá ser realizado exceto quando houver variação na rotação da bomba no período de referência, mas não houver qualquer variação na curva do sistema. Isto significa que não pode haver nenhuma alteração em aberturas de válvulas e nos níveis e pressões dos pontos de origem e destino no período de referência. Neste caso, também será possível obter uma única equação de potência em função da vazão para o período.

Em qualquer caso, quando houver alteração de densidade do fluido (comum no caso de bombeamentos de lama), ela deverá ser encarada como uma variável independente.

Os seguintes exemplos ilustram as situações citadas acima:

1. Casos onde a rotação da bomba não varia no período de referência e, portanto, não é necessário o monitoramento das pressões:

• Situação antes da ação: Sistema com bomba superdimensionada e controle de vazão por

50


meio de válvula que, devido ao superdimensionamento da bomba, trabalha com pequenas aberturas. Ação: Substituição de bomba por equipamento menor ou redução da rotação. Consequência: Válvula trabalhando com maior abertura e bomba fornecendo menores pressões, resultando em redução de consumo elétrico.

• Situação antes da ação: Sistema com controle de vazão por válvula de controle. Ação: Substituição do controle por meio de válvula por controle via inversor de frequência. Consequência: Eliminação da perda de carga da válvula e bomba fornecendo menores pressões, resultando em redução de consumo elétrico.

• Situação antes da ação: Sistema com vários consumidores, cada um deles com uma válvula de controle dedicada. Em determinados períodos do ano as válvulas trabalham bem fechadas (por exemplo, sistema de água gelada para ar condicionado no inverno). Ação: Instalação de inversor de frequência na bomba e de malha de controle que ajusta a rotação da bomba de modo a manter as válvulas de controle dos consumidores com aberturas maiores. Consequência: Redução de perda de carga nas válvulas e bomba fornecendo menores pressões, resultando em menor consumo elétrico.

2. Casos onde a rotação da bomba varia no período de referência e, portanto, é necessário encarar a diferença de pressão na bomba como uma variável independente:

• Situação antes da ação: Bombas dotadas de inversores de frequência para ajuste de vazão, que alimentam equipamentos sujeitos a grandes variações de pressão (por exemplo, algumas bombas de alimentação de caldeira que possuem inversor). Ação: Substituição de rotores desgastados por outros novos. Consequência: Redução de consumo elétrico.

• Situação antes da ação: Sistema com vários consumidores, cada um deles com uma válvula de controle dedicada e presença de uma malha de controle que ajusta a rotação da bomba para maximizar a abertura das válvulas (equivalente ao item I.c. após a ação de eficiência) Ação: Substituição de bomba por outra mais eficiente. Consequência: Redução de consumo elétrico.

3. Caso onde a rotação da bomba varia no período de referência, mas a curva do sistema permanece constante, não sendo, portanto, necessário o monitoramento da diferença de pressão na bomba:

• Situação antes da ação: Sistemas de circuito fechado, dotados de bombas com inversores de frequência para ajuste de vazão. Ação: Substituição de bombas por outras mais eficientes. Consequência: Redução de consumo elétrico.

4.5.3 EXEMPLO – MELHORIAS NO SISTEMA DE BOMBEAMENTOFIGURA 18 - SISTEMA DE BOMBEAMENTO - EXEMPLO



As bombas P-1000 A/B/C são responsáveis pela transferência de uma solução X do tanque de armazenamento T-1000 para o tanque T-1001. A solução é aquecida no trocador de calor às placas localizadas no montante do tanque T-1001.

A operação de bombeamento é contínua e a vazão é modulada por uma válvula tipo borboleta com atuador eletropneumático que recebe sinal de uma malha de controle de vazão, com um medidor do tipo magnético.

Durante estudo de eficiência energética, constatou-se a existência de uma grande parcela de energia sendo dissipada na válvula de controle devido ao superdimensionamento da bomba e, por isso, a alternativa escolhida para melhorar o sistema foi a troca do rotor da bomba.

Durante o planejamento da M&V, verificou-se que:

1. A vazão oscila entre 200 e 400 m³/h;

2. Não existem dados de fabricante das bombas (curvas características);

3. Não existem medidores elétricos dedicados para cada bomba.

Como não havia medidores elétricos nas bombas e uma vez que o processo não era constante, adotou-se o Método 2 para a M&V. O procedimento adotado, já que não havia curva de fabricante, foi forçar a bomba, através da abertura da válvula de controle, em determinadas vazões de maneira a caracterizar alguns pontos de operação para a obtenção de curvas. Simultaneamente foram realizadas medições elétricas nas mesmas.

O procedimento foi realizado antes e depois das melhorias. Foram medidos 50 pontos em cada etapa, que foram suficientes para atender o critério de erro da economia (item 3.4.1). Cada ponto corresponde a valores médios de uma hora de medição. As seguintes curvas foram obtidas:

FIGURA 19 - CURVAS CARACTERÍSTICAS OBTIDAS


A partir das duas equações, foi calculada a economia horária através da seguinte fórmula:

Economiai=Consumoantes i-Consumodepois i=∫antes (Vazãoi)-∫depois (Vazãoi)

52


A tabela abaixo apresenta os resultados das primeiras horas:

TABELA 8 - ECONOMIA HORÁRIA OBTIDA PARA O EXEMPLO DA BOMBA


A Economia total da alternativa é calculada por:

A economia total final foi de 321.831 ± 3.032 kWh, o que representa 1.126.191 MJ para o ano de 2010. Esta economia evitou a emissão de 96 t CO2/ano.

4.6 CONJUNTO DE TRAÇÃOOs conjuntos de tração abordados são: Motores Elétricos, Inversores de Frequência e Acoplamentos

FIGURA 20 - ESQUEMA ILUSTRATIVO DO APROVEITAMENTO DA ENERGIA EM CADA EQUIPAMENTO


Foram definidos três métodos para o cálculo de energia evitada em conjuntos de tração. São eles:


• Método 1 – Ponto Único de Operação:

» Condições de operação constantes.

• Método 2 – Cálculo Acoplado com Equipamento de Processo:

» Condições de operação conhecidas.

• Método 3 – Ensaio:

» Condições de operação desconhecidas.

Método 1: Ponto Único de Operação

Este método pode ser aplicado apenas quando o equipamento de processo trabalhar em regime constante. Neste caso a potência elétrica consumida pelo sistema será constante, o que deve ser verificado por meio de um acompanhamento dessa medição, ainda no período de planejamento do M&V.

Nesta situação, será necessário apenas fazer uma comparação direta do consumo elétrico do período de referência e do período pós-execução. Para isso, deverão ser medidas as potências elétricas em cada um dos períodos.

Para calcular a economia total anual, será necessário saber qual é o regime de operação do sistema, ou seja, quantas horas por ano ele opera. Caso haja um registro do consumo elétrico (ou de algum parâmetro de processo), será possível determinar o regime de operação. Caso não haja, este valor poderá ser estimado com base no regime de operação de outro equipamento do mesmo processo, que opera junto com o sistema em questão, e que possui registros de parâmetros de processo que possibilitem distinguir os momentos de operação e parada (consumo elétrico, consumos de combustíveis, produção, etc).

Método 2: Cálculo Acoplado com Equipamento de Processo

Este método será utilizado quando for possível fazer a análise conjunta do sistema de tração com o equipamento movido. Ele será utilizado para conjuntos de tração de bombas e ventiladores.

A análise será idêntica à das bombas, descrita no item 4.5. A diferença está apenas no foco da ação de eficiência energética, que em vez de ser a bomba, será o motor, o acoplamento ou o inversor. O processo de M&V não será alterado. Mesmo para o caso do ventilador a análise também será idêntica à das bombas. Vale ressaltar que, no caso dos ventiladores, é necessária uma atenção especial às variações de densidades (tratada como uma variável independente).

Método 3: Ensaio

Nos demais casos, serão necessários ensaios para determinar a curva de eficiência do conjunto de tração, alvo da ação de eficiência energética, dos períodos de referência e pós-execução.

No caso dos inversores de frequência, o levantamento das curvas poderá ser feito em campo, já que é possível medir a potência elétrica na entrada e na saída do equipamento. Por outro lado, para motores e acoplamentos, serão necessários ensaios em dinamômetros.

Além das curvas de eficiência do período de referência e pós-execução, será necessária a medição e o registro do consumo elétrico do período de pós-execução.

O cálculo da economia será realizado da seguinte forma:

1. Para cada intervalo do período de pós-execução (ponto de operação), multiplica-se o consumo

54


elétrico medido pelo rendimento correspondente àquela carga, obtido na curva de pós-execução gerada no ensaio. Com isso será obtida a energia útil de todos os pontos de operação.

2. Para cada intervalo, divide-se a energia útil pelo rendimento do período de referência para a carga correspondente, obtendo-se a energia teórica que o equipamento iria consumir caso não houvesse a ação de eficiência energética.

3. A energia economizada em cada intervalo é obtida subtraindo-se o consumo real, medido, desse consumo teórico, calculado.

4. A soma das economias dos intervalos corresponde à economia total do período de pós-execução.

54 55

5.REFERÊNCIAS

BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Balanço de Energia Útil BEU 2005. Brasília: MME, 2005.

BRASIL. Ministério de Minas e Energia; EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Avaliação da Eficiência Energética na Indústria e nas Residências no horizonte decenal (2010-2019) : nota técnica DEA 14/10. Rio de Janeiro: EPE, 2010.

CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA; ELETROBRÁS; PROGRAMA NACIONAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA (Brasil). Eficiência energética na indústria : o que foi feito no Brasil, oportunidades de redução de custos e experiência internacional. Brasília: CNI, 2009.

EFFICIENCY VALUATION ORGANIZATION. Protocolo Internacional de Medição, Verificação e Performance PIMVP 2010 : conceitos e opções para a determinação de economias de energia e de água. [S.l.]: EVO, 2007. v. 1.

EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Balanço energético nacional 2011. Rio de Janeiro: EPE, 2011.

HABERL, J. S.; CLARIDGE, D. E.; CULP, C. Ashrae's guideline 14-2002 for measurement of energy and demand savings : how to determine what was really saved by the Retrofit. In: INTERNATIONAL CONFERENCE FOR ENHANCED BUILDING OPERATIONS, 5., 2005, Pittsburgh, Pennsylvania. Proceedings… Pittsburgh, Pennsylvania: [s.n.], 2005.

PROGRAMA Brasileiro GHG Protocol. Disponível em: <http://www.ghgprotocolbrasil.com.br/>. Acesso em: 10 fev. 2012.

CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI

Gerência de InfraestrutraGerente: Wagner Ferreira Cardoso

Equipe Técnica: Rodrigo Garcia e Francine Vaurof

Conselho Temático de Infraestrutura – COINFRAPresidente: José de Freitas Mascarenhas

DIRETORIA DE COMUNICAÇÃO – DIRCOMDiretor de Comunicação: Carlos Alberto Barreiros

Gerência Executiva de Publicidade e Propaganda – GEXPPGerente Executiva: Carla Cristine Gonçalves de Souza

Produção Editorial: Grifo Design

DIRETORIA DE SERVIÇOS CORPORATIVOS – DSCÁrea de Administração, Documentação e Informação – ADINFGerente Executivo: Marcos Tadeu

Gerência de Documentação e Informação – GEDINGerente de Documentação e Informação: Fabíola de Luca Coimbra Bomtempo

Normalização: Claudia Valentim

Produção Editorial: Grifo DesignRevisão: Olik Comunicação

Embaixada BritânicaJuliana FalcãoLuciana CarrijoTatiana Coutinho

Associação Brasileira de Grandes Consumidores Industriais de Energia e de Consumidores Livres – ABRACECamila SchotiFernando Umbria Helder SousaLuciano Pacheco

FIGENER Consultores de Engenharia Cinthia Yoshie UdakiriFrederico MiuraMarcelo Yoshihiro FukumotoPedro de Almeida Pacheco AmaralCarlos Nardocci

Colaboração Carlos Nardocci SolvayCarolina Tiemi Barbosa CSNDaniel Bittencourt de Souza Suzano Papel e CeluloseDaniel Henrique Soares VotorantimEverson Morais BraskemFabiano Fuga LindeFábio Almeida Chaves Vale

Fábio Luis Heineck GerdauFlávio Kiyoshi Kano Air LiquideMarcelo Amaral Nascimento Anglo AmericanMarcelo José Alves CSNMarcelo Ribeiro ValeMarcelo Wasem BraskemNélio Ceribelli ParanapanemaPaulo Cruz ValeRoberto Nicolas de Jardin Jr. CarbocloroRoberto Luiz Schaefer VotorantimSérgio de Souza Dow CorningSérgio Grassi F. Marques VMB

Apoio: Realização:

Documents

Desenvolvimento Conceitual de Metodologia de Medição e ...arquivos.portaldaindustria.com.br/app/conteudo_24/2014/04/04/435/... · CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI Robson